穿孔軋制實(shí)踐的理論總結(jié)

潘 峰

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

斜軋穿孔是熱軋無(wú)縫鋼管軋制的第一道變形工序，筆者在此前研究[1-6］二輥斜軋穿孔工藝的基礎(chǔ)上提出了建立無(wú)縫鋼管斜軋穿孔理論體系[2］，由經(jīng)驗(yàn)向理論發(fā)展，提出2條無(wú)縫鋼管穿孔軋制理論原則：原則一，在實(shí)現(xiàn)管坯咬入的情況下，軋輥距離越大越好；原則二，控制穿孔孔腔效應(yīng)[7-8］。管坯一次咬入和二次咬入之間的距離（即自由變形區(qū)長(zhǎng)度）保持在略大于1倍螺距為宜?；仡櫠嗄昵暗臒o(wú)縫鋼管穿孔軋制質(zhì)量的攻關(guān)實(shí)踐[9］，從新建理論層面進(jìn)行探討和總結(jié)。

1 生產(chǎn)質(zhì)量攻關(guān)案例

為適應(yīng)市場(chǎng)，擬對(duì)某小直徑鋼管機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大產(chǎn)品外徑規(guī)格的工藝設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)該生產(chǎn)線只配套小規(guī)格管坯，故須采用大擴(kuò)徑穿孔工藝進(jìn)行穿孔生產(chǎn)。

該小直徑鋼管機(jī)組采用桶形輥穿孔機(jī)，孔型設(shè)計(jì)要求擴(kuò)徑率不超過(guò)10%，即管坯和毛管截面積比1.1。

在某次生產(chǎn)低合金鋼產(chǎn)品過(guò)程中，出現(xiàn)了批量外折廢品，外折發(fā)生率達(dá)1/3。經(jīng)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)操作及設(shè)備有異常，筆者認(rèn)為與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控?zé)o關(guān)，是該生產(chǎn)機(jī)組本身能力問(wèn)題，即小規(guī)格機(jī)組采用小規(guī)格管坯生產(chǎn)大規(guī)格管子時(shí)的擴(kuò)徑率達(dá)到了26%，系采用大擴(kuò)徑生產(chǎn)工藝造成的。建議采用大管坯進(jìn)行補(bǔ)軋后，產(chǎn)品質(zhì)量正?！，F(xiàn)在回想，還可以采取一個(gè)措施，即在供大規(guī)格管坯的情況下，再換用出口錐角較小的穿孔軋輥，這樣效果應(yīng)該會(huì)更好。當(dāng)時(shí)處理問(wèn)題只是基于一般的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在擬從理論層面進(jìn)行總結(jié)分析。

2 理論分析

2.1 增大管坯直徑的作用

大擴(kuò)徑是用小直徑管坯生產(chǎn)大直徑產(chǎn)品。穿孔咬入時(shí)，一次咬入點(diǎn)靠近高位點(diǎn)Hp，造成二次咬入困難，需要加大壓下才能使一次咬入點(diǎn)向來(lái)料方向移動(dòng)，以確保咬入，這樣就使軋輥距離E減小。

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)保持自由變形區(qū)長(zhǎng)度合適，如1.5倍螺距左右，使用同樣的穿孔輥和頂頭，管坯直徑由Db1增加到Db2，軋輥距離由E1提高到E2，有利于原則一，因此增大管坯直徑有利于提高穿孔軋制質(zhì)量。

圖1 自由變形區(qū)相同螺距下不同管坯直徑穿孔輥調(diào)整示意

2.2 減小穿孔出口錐角度的作用

可選用較小出口錐角的穿孔輥，大的出口錐角會(huì)使E減小，不利于原則一，由圖2可見(jiàn)，在管坯直徑不變的情況下，當(dāng)穿孔出口錐角由α31減小到α32，E1就增加到E2，有利于提高穿孔質(zhì)量，因此有必要積累擴(kuò)徑軋制經(jīng)驗(yàn)選擇更小的出口錐角。

圖2 相同管坯直徑不同穿孔輥出口錐角示意

當(dāng)時(shí)該廠還有出口錐角更小的穿孔輥，由于缺乏系統(tǒng)性的穿孔理論指導(dǎo)未想到選用。

大擴(kuò)徑造成大壓下，不利于原則一是造成低合金鋼產(chǎn)品大擴(kuò)徑穿孔時(shí)產(chǎn)生批量外折廢品的原因。通過(guò)這樣的理論分析，能夠解釋當(dāng)年生產(chǎn)中所采取技術(shù)措施的正確和有效。

3 穿孔機(jī)入口錐設(shè)計(jì)思想

穿孔機(jī)入口錐一般采用一段式入口錐和二段式入口錐設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 穿孔機(jī)軋輥示意

以前，國(guó)內(nèi)很多老機(jī)組采用一段式入口錐，應(yīng)該是沒(méi)有考慮到原則二可能造成自由變形區(qū)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。后來(lái)引進(jìn)的很多生產(chǎn)線采用二段式入口錐，是因?yàn)檩佇卧O(shè)計(jì)完成后，如果用一段式入口錐，由于要遷就一次咬入，角度要小，這樣發(fā)現(xiàn)管坯一次咬入點(diǎn)距高位點(diǎn)太遠(yuǎn)，不利于原則二，只能采用二段式入口錐設(shè)計(jì)，使二次咬入段的錐角更大，才能使一次咬入點(diǎn)靠近高位點(diǎn)，這是正確的。

寶鋼無(wú)縫鋼管廠引進(jìn)的穿孔機(jī)入口采用二段式入口錐設(shè)計(jì)，若用一段式入口錐，可算出錐角為3.2°，顯然設(shè)計(jì)者認(rèn)為此不滿足一次咬入。但現(xiàn)在考慮如果根據(jù)原則一，追求輥距大，出口錐角小，則相應(yīng)入口錐角也小，就有可能采用一段式入口錐。

設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定能實(shí)現(xiàn)一次咬入的最大錐角，應(yīng)該是以采用一段式入口錐設(shè)計(jì)為首選，若錐角大于允許值，就改為二段式入口錐設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)的老機(jī)組的一次咬入角度明顯大于引進(jìn)機(jī)組的，可能是國(guó)內(nèi)機(jī)組送進(jìn)角明顯小于引進(jìn)機(jī)組，一次咬入條件更好的原因。

4 大擴(kuò)徑穿孔一段式入口錐設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思想

對(duì)于大擴(kuò)徑穿孔，傳統(tǒng)認(rèn)為毛管外徑很大，就需要穿孔輥采用大角度出口錐。前面的案例中，只是用小直徑管坯軋制正常外徑毛管，就造成了管坯一次咬入點(diǎn)靠近頂頭而影響二次咬入。對(duì)此可以通過(guò)加大出口錐角，減小軋輥距離E，使管坯一次咬入點(diǎn)遠(yuǎn)離頂頭，可能這才是大擴(kuò)徑穿孔采用大角度出口錐的目的。

其實(shí)可以減小穿孔輥入口錐角度，使一次咬入點(diǎn)后退，這樣就不會(huì)減小軋輥距離E。由圖4可見(jiàn)，大擴(kuò)徑時(shí)，小直徑管坯Db1較大直徑管坯Db2的入口錐角更小。即大擴(kuò)徑穿孔機(jī)入口錐更有可能采用一段式入口錐，以做出更好的穿孔孔型設(shè)計(jì)。

圖4 用小管坯時(shí)入口錐角α11較小示意

一段式入口錐設(shè)計(jì)的前提條件是需要對(duì)擴(kuò)徑情況做準(zhǔn)確的評(píng)估。而毛管壁厚越厚，擴(kuò)徑越難，有可能造成后卡。可以嘗試用延伸系數(shù)的倒數(shù)來(lái)評(píng)估，在相同擴(kuò)徑率下，延伸系數(shù)的倒數(shù)值越大越接近1，擴(kuò)徑難度就越大。要加大擴(kuò)徑能力，主要是加大出口錐角，增加變形流量，利于擴(kuò)徑，還可以考慮用短頂頭，采取大送進(jìn)角等。

當(dāng)然穿孔毛管擴(kuò)徑率應(yīng)該有個(gè)合適的范圍，擴(kuò)徑變形才能更加平穩(wěn)流暢。

4.2 大擴(kuò)徑工藝設(shè)計(jì)舉例

寶鋼無(wú)縫鋼管廠后來(lái)擴(kuò)展產(chǎn)品規(guī)格，需要開(kāi)發(fā)189 mm大擴(kuò)徑穿孔孔型，當(dāng)時(shí)根據(jù)以往大擴(kuò)徑經(jīng)驗(yàn)，穿孔出口錐采用較大錐角，相對(duì)應(yīng)入口錐也采用較大錐角，因此維持二段式入口錐?，F(xiàn)在看，應(yīng)在完成擴(kuò)徑的前提下盡量選較小的出口錐角。

這里針對(duì)寶鋼無(wú)縫鋼管廠189 mm孔型，以此理念設(shè)計(jì)舉例。寶鋼無(wú)縫鋼管廠原穿孔出口錐角設(shè)計(jì)為2.75°，開(kāi)發(fā)189 mm孔型，管坯直徑增加了10 mm，按傳統(tǒng)大擴(kuò)徑理念，出口錐角改為3.5°?？紤]到產(chǎn)品壁厚不是太厚，不增加出口錐角或許是可行的，擴(kuò)徑難度稍微大一點(diǎn)，此處按出口錐角不改變來(lái)設(shè)計(jì)穿孔輥形。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，可以按一段式入口錐設(shè)計(jì)，此時(shí)角度僅為1°多，滿足一次咬入條件和設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)舉例結(jié)果和前面的理論分析是一致的。

對(duì)前面提到的某小直徑鋼管生產(chǎn)機(jī)組的大擴(kuò)徑工藝，毛管外徑很大，最大壁厚也較大，延伸系數(shù)的倒數(shù)值為0.79，即擴(kuò)徑大，變形量小，這樣設(shè)計(jì)難度是很大的，但當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的穿孔輥出口錐角過(guò)大，其實(shí)可以小一點(diǎn)，有利于提高穿孔質(zhì)量，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念還是存在不足。

5 結(jié) 論

（1）初步提出的穿孔理論體系，包含原則一和原則二，能夠解釋穿孔軋制質(zhì)量攻關(guān)的成功效果，體現(xiàn)了對(duì)穿孔軋制實(shí)踐的指導(dǎo)作用。

（2）大擴(kuò)徑采用大出口錐角作用是為了使一次咬入點(diǎn)前移，確保二次咬入，而減小入口錐角有同樣效果，有利于原則一。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定能實(shí)現(xiàn)一次咬入的最大錐角。穿孔機(jī)入口錐設(shè)計(jì)以一段式為首選，當(dāng)錐角大于允許值時(shí)須改為二段式設(shè)計(jì)。大擴(kuò)徑穿孔機(jī)更有可能采用一段式入口錐角的設(shè)計(jì)。

（4）大擴(kuò)徑機(jī)組亦可優(yōu)化穿孔輥形，較多地減小入口錐角，適當(dāng)?shù)販p小出口錐角。

（5）繼續(xù)推進(jìn)和豐富穿孔理論體系建設(shè)是提高軋制質(zhì)量的有效途徑之一。